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Innsbruck (universität) - Forschern der Yale University ist es gemeinsam mit dem österreichischen
Quantenphysiker Gerhard Kirchmair erstmals gelungen, die Quanteninformation eines supraleitenden Quantenbits in
ein Ensemble von über 100 verschränkten Photonen einzuschreiben. Die nun in der Fachzeitschrift Science
veröffentlichte Methode könnte die Grundlage für eine neue Form vom Quantenspeichern darstellen.
Der im Vorjahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnete französische Physiker Serge Haroche hat Atome und Photonen
in kleinen Hohlräumen mit stark reflektierenden Wänden eingeschlossen. Auf diese Weise konnte er experimentell
wegweisende Erkenntnisse über die Eigenschaften der Quantenzustände von Licht erlangen. Einen ähnlichen
Hohlraumresonator haben nun Forscher der Yale University in New Haven, USA, verwendet, um die Grundlage für
eine neuartige Form von Quantenspeichern zu schaffen.
An dem Experiment hat auch der Innsbrucker Experimentalphysiker Gerhard Kirchmair mitgearbeitet: „Wir haben ein
neues Verfahren entwickelt, mit dem sich in einem solchen Hohlraumresonator mit Mikrowellen-Photonen sehr einfach
sogenannte Schrödinger-Katzen-Zustände erzeugen lassen.“ Erwin Schrödinger hatte makroskopische
Quantenzustände in einem Gedankenexperiment mit einer Katze illustriert, von der man nicht weiß, ob
sie lebendig oder tot ist. Ähnlich verhält es sich mit dem elektrischen Feld, das die Photonen in dem
Hohlraumresonator erzeugen. Es zeigt gleichzeitig in zwei oder mehrere Richtungen. Solche Schrödinger-Katzen-Zustände
wurden schon früher im Labor realisiert, mit dem neuen Verfahren gelingt dies aber besonders einfach und ohne
den sonst notwendigen, hohen experimentellen Aufwand. „Außerdem können wir auf diese Weise sehr große
Schrödinger Katzen erzeugen“, zeigt sich Gerhard Kirchmair begeistert. „Es ist möglich, bis zu Hundert
Photonen in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand zu versetzen und diesen zu messen und zu kontrollieren.“
So große Schrödinger Katzen konnte in Hohlraumresonatoren bisher noch niemand erzeugen.
Schrödinger Katzen als Quantenspeicher
Die Forscher um Robert Schoelkopf von der Yale University nutzen diese Schrödinger Katzen, um Quanteninformation
zu speichern. Sie koppeln dazu die Photonen im Hohlraumresonator an ein Quantenbit, das sie mit einem sogenannten
Josephson-Kontakt realisieren. Dabei handelt es sich um zwei Supraleiter, die durch eine hauchdünne Isolierschicht
voneinander getrennt sind. Solche supraleitenden Qubits können einfach an konventionelle elektrische Schaltkreise
gekoppelt werden. Mit diesem Aufbau ist es den Forschern nun erstmals gelungen, deterministisch die Quanteninformation
des supraleitenden Qubits in einen Schrödinger-Katzen-Zustand von über 100 Photonen einzuschreiben. „Dieses
Experiment zeigt bereits die Möglichkeiten, die in solchen Hohlraumresonatoren für die Quanteninformationsverarbeitung
stecken“, sagt Gerhard Kirchmair. „Wir haben hier erste Schritte auf dem Weg zur Realisierung unseres vergangene
Woche in Physical Review Letters erschienenen Vorschlags für einen Quantenspeicher gemacht,“ sagt Kirchmair.
„Gerade laufende Experiment zeigen schon erste vielversprechende Resultate, um durch Dekohärenz verursachte
Fehler in diesem Quantenspeicher zu korrigieren.“ Die Quanteninformation in solchen Speichern würde also durch
Störungen von außen nicht vernichtet.
Verstärkt Quanten-Hochburg Innsbruck
Gerhard Kirchmair hat im März 2013 eine auf fünf Jahre befristete Professur für Experimentalphysik
an der Universität Innsbruck angetreten und ist gleichzeitig Junior Research Director am Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Seine Stelle
gründet auf einem von Theoretiker Peter Zoller initiierten Projekt für ein Tenure-Track-ähnliches
Verfahren, das jungen Wissenschaftlern bessere Möglichkeiten an den österreichischen Universitäten
geben soll. Kirchmair kommt aus der Schule der Innsbrucker Physik, hat an der Universität Innsbruck studiert
und bei Experimentalphysiker Rainer Blatt 2011 „sub auspiciis“ promoviert. Als Postdoc forschte er über zwei
Jahre in der Arbeitsgruppe von Robert Schoelkopf an der renommierten Yale University in New Haven, USA.
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